声子激光器:可用于信息处理与量子物理研究!

声子激光器:可用于信息处理与量子物理研究!

导读

据美国罗切斯特理工学院官网近日报道,该校以及罗切斯特大学的科研人员们合作开出一种新型声子激光器,它有望应用于传感、信息处理以及量子物理研究。

背景

与普通光源相比,激光具有单色性好,亮度高,方向性好等优势,因此也称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”。激光是20世纪人类的重大发明之一。

各种色彩的激光(图片来源:维基百科)

激光,是由原子受激辐射产生的光。原子中的电子吸收能量后从低能级跃迁到高能级,再从高能级回落到低能级的时候,能量以光子的形式被释放出来,被激发出来的光束中的光子光学特性高度一致。

1960年,美国加利福尼亚州休斯实验室的科学家梅曼宣布世界上第一台激光器诞生。从那时起,光学激光器逐步成长为一个100亿美元的全球技术市场。

2018年,美国科学家亚瑟·阿斯金(Arthur Ashkin)、法国科学家杰哈·莫罗(Gérard Mourou)、加拿大科学家唐娜·斯特里克兰(Donna Strickland)因对激光物理领域做出的杰出贡献共同获得了诺贝物理奖。

其中,亚瑟·阿斯金的贡献为“发明了一种光学镊子”,它可以用来捕获粒子、原子、病毒和其他活细胞;杰哈·莫罗和唐娜·斯特里克兰的贡献为“产生高密度超短光学脉冲的方法“。

创新

近日,美国罗切斯特理工学院(RIT)与罗切斯特大学的科研人员们合作创造出一种不同类型的激光器:声子激光器,它采用了阿斯金发明的光学镊子技术。相关论文发表在最新一期的《自然光子学(Nature Photonics)》期刊上。

(图片来源:A. Nick Vamivakas 和 Michael Osadciw, 罗切斯特大学)

技术

在论文中,研究人员们提议并展示了一种声子激光器,它采用了光学悬浮的纳米粒子。声子,是与声波及光镊相关的能量量子,它可以孤立地测试量子效应的极限,并消除来自周围环境的物理干扰。研究人员们研究了纳米粒子的机械振动。这些纳米粒子可在激光束焦点处的辐射力作用下,形成一种反重力的悬浮状态。

罗切斯特理工学院物理系副教授、理论量子光学研究员 Mishkat Bhattacharya 表示:“通过探测纳米粒子散射的光线,来测量纳米颗粒的位置,并将这些信息反馈到镊子光束中,我们就可以创造出类似激光的情况。这种机械振动变得很强烈,并且形成完美的同步,就像光学激光器中发出的电磁波一样。”

光学镊子示意图与系统模型(图片来源:参考资料【1】)

因为激光器中发出的光波是同步的,所以波束可长距离传播,而不会向四面八方扩散,这与太阳或灯泡发出的光线不同。在标准的光学激光器中,光的输出特性是由制作激光器的材料控制的。有意思的是,在声子激光器中,光线和物质的角色反转了过来,材料粒子的运动受到光学反馈的控制。

价值

Bhattacharya 表示:“我们对于这个设备应用前景感到非常振奋,特别是在传感与信息处理方面,因为光学激光器有着许多应用场景,而且应用场景仍在不断扩展。”他也表示,声子激光器有利于基础量子物理的研究,包括著名的思想实验薛定谔的猫,这只猫可以同时处于死与活的叠加态。

关键字

激光、量子物理、声子

参考资料

【1】Robert M. Pettit, Wenchao Ge, P. Kumar, Danika R. Luntz-Martin, Justin T. Schultz, Levi P. Neukirch, M. Bhattacharya, A. Nick Vamivakas. An optical tweezer phonon laser. Nature Photonics, 2019; DOI: 10.1038/s41566-019-0395-5

【2】https://www.rit.edu/news/rit-researcher-collaborates-ur-develop-new-form-laser-sound